電渦流測功機在發動機穩態循環試驗中的應用

王勇 肖俊

摘要：本文依托海拔2200米電渦流測功機試驗臺架，以便攜式排放測試系統（PEMS）為測試手段，基于全球統一的重型車穩態循環（WHSC循環），在高原環境條件下對一臺國Ⅵ發動機的原機和尾排（帶后處理）的氣態污染物排放量進行了試驗測試，分析研究了發動機后處理系統對氣態污染物排放量的影響趨勢和電渦流測功機在排放試驗中的局限性。結果表明發動機后處理系統能顯著降低汽車尾氣中的氮氧化物（NOX），氮氧轉化效率高達96.5%;電渦流測功機因其加載特性限制，不能滿足國Ⅵ法規瞬態排放測試要求。

Abstract： Based on the 2200m Eddy current dynamometer test-bed， the portable emission test system （PEMS） is used as the test method， the emission of gaseous pollutants from the primary engine and the tail section （with post-treatment） of a domestic VI engine was tested under the plateau environment， the influence tendency of the engine aftertreatment system on the emission of gaseous pollutants and the limitation of the eddy current dynamometer in the emission test are analyzed. The results show that the engine aftertreatment system can significantly reduce the nitrogen oxide in automobile exhaust， and the conversion efficiency of nitrogen and oxygen is as high as 96.5%.The Eddy current dynamometer can not meet the requirements of VI regulation for transient emission test because of its loading characteristics.

關鍵詞：電渦流測功機;高原環境;柴油發動機;穩態循環（WHSC）;氣態污染物

Key words： eddy current dynamometer;plateau environment;diesel engine;world harmonized steady-state cycle（WHSC）;gaseous pollutants

中圖分類號：V235.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0003-03

0? 引言

測功機是測試發動機性能檢驗時的關鍵設備，主要功能為測試發動機的輸出功率。現有的測功機分為兩類，一類是功率吸收型測功機，如：水力測功機、電渦流測功機等;另一類是功率傳遞型測功機，如直流電力測功機、交流異步電力測功機等。發動機試驗臺架建設時，測功機的選型首先取決于實驗室功能和需求，結合各種類型測功機 （如水力測功機、電渦流測功機、電力測功機等）的特點確定所選測功機類型[1]。根據林斌的研究，交流電力測功機具有控制響應快、轉動慣量小、控制穩定性高，可以滿足瞬態試驗、倒拖和冷磨試驗要求，運行成本低等優點，是目前唯一能滿足排放法規測試要求的最先進、功能最完善的測功機[1-2]。我公司發動機試驗臺架建設時考慮到交流電力測功機造價較高，且因其傳遞功率發出的電能需要電阻消耗或并入電網，臺架建設費用高昂，在海拔2200米建設了以電渦流測功機為基礎的發動機固定臺架和移動臺架各一個。

2016年和2018年相繼發布了輕型車和重型車的國Ⅵ階段標準，堪稱最嚴排放法規。與排放法規相對應的是發動機測試循環，國Ⅵ法規采用全球統一的瞬態循環（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）和穩態循環（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）作為發動機出廠時的型式核準工況，取代了國Ⅴ標準中的歐洲瞬態循環（European Transient Cycle，ETC）和歐洲穩態循環（European Steady-state Cycle，ESC）[3]。

本文以電渦流測功機為基礎，對一臺國六發動機進行不帶過渡工況的穩態循環排放污染物檢測。研究電渦流測功機在排放試驗中的應用及發動機原排和尾排之間的差異。

1? 試驗條件及試驗內容

1.1 試驗設備

本試驗在海拔2200米發動機試驗臺架上進行，臺架設備如表1所示。

1.2 試驗樣機技術參數

本試驗用柴油機為某型國六柴油機，試驗中沒有對柴油機進行任何改動，柴油機具體技術參數見表2。

1.3 試驗工況

本次試驗采取不帶過渡工況的穩態循環工況，包括兩個怠速工況，轉速為最大凈功率對應轉速的25%、35%、45%、55%、75%共5個不同轉速，每個轉速對應的扭矩各不相同。其中：55%轉速對應的扭矩有四個，該轉速最大扭矩值的25%、50%、70%、100%;35%轉速對應該轉速下最大扭矩值25%、50%、100%三個扭矩;45%轉速對應25%、75%兩個工況;25%轉速和75%轉速分別對應相應轉速最大扭矩值的25%、100%一個工況。總共13個工況點。試驗工況如圖1所示。

2? 試驗結果

2.1 速度特性

因海拔高度變化，試驗人員重新標定了發動機在海拔2200米下的速度特性曲線，并根據發動機瞬態特性，計算出發動機在該海拔下的穩態循環工況。穩態工況如表3、圖2所示。

2.2 穩態循環原機和尾排排放差異

在進行不帶過渡工況的穩態循環試驗時，首個工況穩定一分鐘后記錄污染物排放數值，記錄時間比循環工況規定時間長30秒，記錄完畢后變換到下一工況，下一工況仍然穩定1分鐘后排放分析儀開始記錄。這樣可以避免時間對齊問題帶來的計算不便。

依據中華人民共和國國家標準GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）》和GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》中的相關條款計算得到最終排放結果。

穩態循環原機排放試驗計算結果如表4所示，作為內燃機完全燃燒產物的CO2排放量最大，達到了607g/kWh，有害污染物排放中占比最高的是NOX，其次是CO。CO比排放量為0.568g/kWh，不到NOX排放量的十分之一。排氣污染物中NOX值為NO和NO2之和，PEMS設備測量濃度結果為干基，計算時均換算成濕基濃度參與計算。

原機排放穩態循環特征點優化后，進行尿素噴射測試（既尾排試驗），由于控制單元數據是根據前NOX傳感器的讀數來計算尿素噴射量的，所以在優化完原排之后，不修正控制單元數據，直接進行自動噴射測試，不考慮氨泄漏（測試條件不支持），原機與尾排測試對比結果如表5。

該國Ⅵ發動機采用的排放控制策略為廢氣再循環（EGR）+氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（DPF）+還原催化器（SCR）+氨逃逸催化器（ASC）。柴油機排放的尾氣首先經過DOC，尾氣中的CO、HC等被部分凈化成CO2和H2O，再分別經過DPF和SCR進行顆粒捕集、氮氧化物催化還原以降低顆粒物排放和氮氧化物排放，最后經過ASC催化還原尾氣中多余的NH3。尾排測試中CO2比排放值相對原排增加了約1.7個百分點，CO比排放值相應減少10.6個百分點，這是由于CO被DOC氧化為CO2導致的。CO2排放量基數較大是百分比有差異的原因。變化最明顯的是氮氧化物（NOX），柴油機尾氣經過SCR催化還原以后，NOX排放量下降了96.6個百分點。

2.3 電渦流測功機在穩態循環試驗中的表現

試驗過程中，手動調節測功機轉速及扭矩，電渦流測功機可在5秒內完成工況變化，并可以將轉速和扭矩穩定在設定值。穩態循環的工況變化要求測功機能在20±1秒內以線性速度完成發動機轉速和扭矩的轉換。顯然，電渦流測功機可以做到這一點。但是若要在電渦流測功機試驗臺架上完成瞬態循環（WHTC）試驗將是不可能完成的任務。瞬態循環工況是逐秒變化的，對測功機的瞬態響應速度要求非常嚴苛。瞬態循環工況如圖3所示。

電渦流測功機的恒轉速控制是閉環控制，當轉速正向偏離平衡點A，由于轉速偏差的存在，恒轉速控制器自動增加測功機勵磁電流，由于勵磁電流的加載和發動機轉速調節的滯后，系統將先經過C點，然后再通過減小勵磁電流而穩定在平衡點B，轉速回復到設定值[4]。在此種控制方式下，電渦流測功機不能滿足工況逐秒變化的瞬態排放測試。電力測功機因其調速過渡穩定，可靠性高等特點，被應用于瞬態排放測試中。（圖4）

3? 結論

①經過柴油機后處理設備處理后的尾氣有害污染物成分下降明顯，CO排放量下降了10.56%，NOX排放量下降了96.56%，CO2排放量有所上升。本次試驗由于測試條件有限，沒有對柴油機排氣中顆粒物和碳氫化合物加以分析。②電渦流測功機具有高精度、高穩定性等特點，測試功率范圍較廣，響應速度較快，能應用于發動機穩態性能及排放測試，但因其加載特性限制，不能用于發動機瞬態排放測試。

參考文獻：

[1]林斌.發動機交流電力測功機選型探討[J].裝備制造技術，2018（04）：148-151.

[2]范爽.電渦流測功機加載控制系統的研制[D].北京理工大學，2016.

[3]趙國斌，蓋永田，耿帥，金靈，伍恒.WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環的試驗比較與研究[J].汽車工程學報，2015，5（01）：29-34.

[4]曾賢波，金振華，周斌，田穎，盧青春.電渦流測功機一發動機系統低轉速不穩定點的分析研究[J].內燃機工程，2006（02）：75-77，80.